不同齡期與水灰比混凝土的超聲脈沖速度與抗壓強度關系試驗研究

摘 要：超聲脈沖速度是混凝土性能檢測中最常用的無損檢測技術之一。為了研究混凝土的超聲脈沖速度與抗壓強度的關系，文章研究制備了水泥漿體含量為18%且水灰比不同的混凝土試樣，在混凝土不同齡期（2 d、7 d、15 d、28 d）進行超聲脈沖速度測定和抗壓強度試驗。結果表明，混凝土的超聲脈沖速度和抗壓強度隨齡期的增加而增大，但增長速率隨混凝土配合比的不同而不同；高、低水灰比混凝土的早期超聲脈沖速度和強度增長速率存在顯著差異，由模擬曲線得到的公式可用于確定不同混凝土配合比的混凝土強度。

關鍵詞：混凝土抗壓強度；無損評估技術；超聲脈沖速度；水灰比

中圖分類號：U414.1

0"引言

混凝土是一種復雜的復合材料，骨料占其體積的75%，水泥占15%左右，含水率10%，其滲透性由水灰比決定，高強度低滲透性的混凝土應選擇較低的水灰比。對于水灰比相同的混凝土，可以通過調節骨料含量、級配和形狀以及化學添加劑來提高其和易性［1-3］。

混凝土的凝結是一種水化反應，水泥中的硅酸鈣與水反應形成水化物，并伴隨著熱量的產生。水泥水化物的結構在很大程度上決定了混凝土的耐久性。由于壓實不足，混凝土可能會出現氣孔或密度較低的部分；由于收縮、熱運動、受荷和其他原因，混凝土會出現一些裂縫［4-6］。孔隙和裂縫使得堿性的混凝土中出現了酸性水分和氣體可以穿透的通道。在使用過程中，混凝土暴露在各種各樣的環境中，由于和環境發生物理和化學反應，裂縫會繼續惡化。此時，需要對裂縫的類型和程度進行評估，以便采取適當的補救措施。常規檢測如標準立方體和圓柱體試塊等方法，檢測得到的混凝土強度不能代表結構的實際混凝土強度，而鉆芯法則花費高且會削弱結構的性能。因此，工程技術人員設計出了各種無損檢測方法。其中超聲脈沖速度技術使用成本最低，且使用方便快捷［7-8］。

為了研究混凝土的超聲脈沖速度與抗壓強度的關系，本文制備了水泥漿體含量為18%且水灰比不同的混凝土試樣，分別在混凝土齡期2 d、7 d、15 d、28 d進行超聲脈沖速度測定和抗壓強度試驗。同時，在水灰比為0.35～0.75時，繪制了混凝土超聲脈沖速度與抗壓強度的關系曲線，由曲線方程可預測混凝土的抗壓強度。

1"試驗介紹

1.1"超聲脈沖速度

當半無限固體表面受到時變機械力的激勵時，能量會從源頭處以3種不同類型的彈性波傳播形式輻射出去。這些彈性波中最快的波在擾動的傳播方向上有粒子位移，被稱為縱波、壓縮波或p波。壓縮波速度Vp可以通過式（1）求得，Vp與動態楊氏模量E、泊松比v和質量密度ρ的函數關系式如下：

Vp=E（1-v）ρ（1+v）（1-2v）（1）

由式（1）可知，壓縮波速度Vp與材料的幾何形狀無關，只取決于材料的彈性特性。當混凝土在密度和均勻性方面設計較合理時，可以測得相對較高的脈沖速度；如果混凝土質量較差，則獲得較低的脈沖速度。脈沖速度可以通過式（2）計算：

V=L/T（2）

式中：V——脈沖速度（m/s）；

L——長度（m）；

T——有效時間（s）;

s——測量時間減去0時間進行校正，0時間校正即發射和接收傳感器之間的時間長度。

超聲脈沖速度檢測結果有以下用途：（1）檢查混凝土的均勻性；（2）檢測混凝土中的裂縫和孔隙；（3）檢驗混凝土產品的質量；（4）檢測混凝土損傷情況；（5）檢測表面裂縫的深度，確定混凝土的實際強度。由于強度是混凝土結構的主要性能，而檢測得到的超聲脈沖速度與混凝土強度相關，因此本文通過繪制超聲脈沖速度與混凝土強度的曲線圖來確定不同混凝土配合比的混凝土強度。

1.2"試驗簡介

試驗裝置的示意圖如下頁圖1所示。超聲波檢測儀尺寸為185 mm×130 mm×185 mm，重量為3 kg，適宜的工作環境溫度為0 ℃～45 ℃。超聲波檢測儀提供了一種產生脈沖、將脈沖傳輸到混凝土、接收和放大脈沖、測量和顯示傳輸過程所用時間的方法。

制備試樣時，使用的材料包括2.5 N型號的普通硅酸鹽石灰石、標準砂、粒度為10 mm的粗骨料和水，使用的水灰比范圍為0.35～0.75，水泥漿體約占混凝土總體積的18%。每種配合比制作5個混凝土試樣。所有試樣均在鋼模具中澆筑，并在實驗室的模具中保存約24 h。取出模具后，對3個混凝土立方體在齡期2 d時進行試驗，其余所有混凝土立方體在20 ℃的水環境中進行養護，分別在齡期為7 d、15 d和28 d時進行試驗。對應每個齡期，本文檢測5個試樣的脈沖速度和抗壓強度。根據水灰比分別為0.35、0.4、0.5、0.6、0.75的混凝土試樣試驗結果，本文提出了超聲脈沖速度與硬化混凝土抗壓強度關系的5條模擬曲線。同時，通過實測超聲脈沖速度值，驗證了該曲線適用于硬化混凝土強度的預測。

2"試驗結果分析

2.1"擬合曲線方程

如圖2和圖3所示分別為不同水灰比的混凝土試樣在不同齡期時的超聲脈沖速度和抗壓強度發展情況。混凝土的超聲脈沖速度和抗壓強度都隨著齡期的增加而增加。在同一齡期時，低水灰比混凝土的超聲脈沖速度和抗壓強度均高于高水灰比混凝土，這是由低水灰比混凝土的結構更致密的原因引起的。

由圖2～3可知，高水灰比（水灰比為0.75）混凝土在2 d齡期時的超聲脈沖速度約為28 d齡期的89%，但強度僅為28 d齡期的60%左右。同時，低水灰比（水灰比為0.35）的混凝土在2 d齡期時的超聲脈沖速度約為28 d齡期的97%，強度約為28 d齡期的30%。由此可以看出，高、低水灰比的混凝土早期超聲脈沖速度和強度增長速率存在顯著差異。因此，當同時考慮齡期和配合比時，超聲脈沖速度與混凝土強度的關系就不是那么明確了。由此可見，需要單獨考慮齡期和配合比對超聲脈沖速度和抗壓強度關系的影響。

圖4～8為水灰比分別為0.35、0.40、0.50、0.60和0.75時的硬化混凝土的超聲脈沖速度和抗壓強度值。

對于給定水灰比的混凝土，繪制了5條超聲脈沖速度與抗壓強度的關系曲線，并且擬合出5條水灰比確定時的超聲脈沖速度和抗壓強度曲線關系方程，如式（3）～（7）所示：

σ（0.35）=1E-15e0.008v（3）

σ（0.40）=0.022e0.001v（4）

σ（0.50）=0.053e0.001v（5）

σ（0.60）=0.097e0.001v（6）

σ（0.70）=0.205e0.001v（7）

式中：σ和v——混凝土抗壓強度（MPa）和超聲脈沖速度（m/s）。

對于這5種水灰比的混凝土，其超聲脈沖速度與抗壓強度之間的相關性較好，擬合系數R2分別為0.866、0.981、0.888、0.994和0.989。

2.2"擬合曲線驗證

為了驗證本文提出的超聲脈沖速度與抗壓強度之間關系曲線方程的有效性，對于水灰比分別為0.40、0.50和0.60的混凝土試樣進行附加試件的試驗，如表1所示。水泥漿體同樣占混凝土總體積的18%，試樣制備后在水中固化，至28 d時進行試驗。通過超聲脈沖速度與抗壓強度之間關系曲線方程，用每個試樣的超聲脈沖速度來預測其抗壓強度。

接著，將預測強度與試件破壞試驗得到的抗壓強度進行比較，對比結果見表2。由表2可以看出，比較結果與真實值的偏差都在±0.1以內，說明本文所提出的關系曲線適用于通過實測超聲脈沖速度值預測硬化混凝土的抗壓強度。

3"結語

為了研究不同配合比與齡期混凝土的超聲脈沖速度與抗壓強度之間的關系，制備了水泥漿體含量為18%且水灰比不同的混凝土試樣，在混凝土齡期分別為2 d、7 d、15 d和28 d時進行超聲脈沖速度測定和抗壓強度試驗。同時，在水灰比為0.35～0.75時，繪制了混凝土超聲脈沖速度與抗壓強度的關系曲線，得出以下結論：

（1）混凝土的超聲脈沖速度和抗壓強度隨齡期的增加而增大，但增長速率隨混凝土配合比的不同而不同，高、低水灰比混凝土早期超聲脈沖速度和抗壓強度增長速率存在顯著差異。因此，要明確不同配合比混凝土的超聲脈沖速度與抗壓強度之間的關系，就必須消除混凝土早期超聲脈沖速度和強度增長速率不同所造成的干擾。

（2）提出了混凝土超聲脈沖速度與抗壓強度之間關系曲線方程，通過這種方法用每個試樣的超聲脈沖速度來預測其抗壓強度。經過驗證，本文所提出的關系曲線適用于通過實測超聲脈沖速度值預測硬化混凝土的抗壓強度。

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